盧廣海

(安能鉆掘設備科技(深圳)有限公司,廣東 深圳 518109)

1 前言

當今，礦山破巖、金屬、非金屬礦、煤礦的開采施工、地鐵隧道巖石開挖、城市建筑施工，除了機械破巖施工，就是雷管炸藥施工，前者效率低，后者危險極大，不僅影響環(huán)境，甚至會引發(fā)特大安全事故和暴恐事件。二氧化碳液氣相變裂巖器（也稱作：二氧化碳致裂器、二氧化碳開采器），是一種理念先進、方法安全、效果顯著的爆破設備，其工作原理屬于物理變化，具有破巖過程無火花外露、裂巖威力大、無需驗炮、操作簡便的優(yōu)點。因此，在雷管炸藥受限的破巖情況下，二氧化碳液氣相變裂巖器是破巖施工首選。爆破、凍土層松動等工程施工領域得到了廣泛的應用，尤其是土石方工程中更是得到了突飛猛進的發(fā)展。

進入二十一世紀后，國內(nèi)許多企業(yè)研發(fā)了大量應用于土石方工程的二氧化碳致裂設備。如深圳市凱強力科技有限公司、河北鴻源機械集團公司、山東名世礦業(yè)機械有限公司、武漢市卡斯曼特機械有限公司、安能鉆掘設備科技有限公司等，先后研發(fā)了多種型號的產(chǎn)品，并在我國土石方工程中得到了大量的推廣應用。

2 二氧化碳致裂技術發(fā)展概況

20世紀50年代，英國CARDOX公司開發(fā)研制了液態(tài)二氧化碳相變致裂裝置，當時稱為Cardox管。該設備主要作為一種采煤器應用于高瓦斯礦井的采煤工作面，代替炸藥，提高塊煤率[1]。2007年元月，淮北煤礦為解決煤礦爆破采用傳統(tǒng)炸藥放炮管理難度大、用人多等問題，淮北礦業(yè)集團公司和CARDOX公司有關技術人員合作，于2007年元月在蘆嶺煤礦進行了二氧化碳爆破試驗[2]，從而開啟了二氧化碳致裂技術在我國應用的先河。我國煤炭科學技術研究院有限公司、煤科集團沈陽研究院有限公司等科研單位也對該項技術進行了大量應用性研究工作。2013年7月～10月，煤炭科學技術研究院有限公司研發(fā)的二氧化碳致裂設備，在中電投納雍縣貝勒煤礦進行了落煤試驗和致裂增透試驗。試驗結(jié)果表明，該項技術的應用，使瓦斯抽采鉆孔周圍煤層裂隙大幅度增加，煤層原生裂隙得到擴散，使瓦斯抽采量大幅提升，消除煤層突出危險性，為掘進工作面快速掘進創(chuàng)造了條件[1]。煤科集團沈陽研究院有限公司于2013年左右開始了該項技術的自主研發(fā)。2015年2月3日，經(jīng)過近兩年自主研發(fā)的全套技術及裝備，取得了安標國家礦用產(chǎn)品安全標志中心頒發(fā)的安全標志證書[3]（見圖1）。

由于二氧化碳致裂器在使用中展示出的安全性高（不存在炸藥所具有的易爆危險、工作時不會產(chǎn)生任何明火或火花）、環(huán)境污染小（不產(chǎn)生硝煙、施工過程中揚塵量極?。?、能替代傳統(tǒng)炸藥（炸藥屬于民爆產(chǎn)品受到嚴格監(jiān)控）、以及爆破后不需要檢炮等優(yōu)勢，在對生產(chǎn)安全、環(huán)保要求日益嚴苛的今天，二氧化碳致裂設備迅速突破煤礦施工領域，在采石、隧道、鐵礦、壕溝、城建、水下

圖1 煤科集團沈陽研究院有限公司研發(fā)的二氧化碳致裂器獲國家礦用安全標志證書[3]

3 設備工作原理及主要部件

二氧化碳液氣相變裂巖器的原理如圖2所示：利用液態(tài)二氧化碳吸熱體積瞬間膨脹的原理，將液態(tài)二氧化碳通過高壓低溫充裝設備注入到二氧化碳儲液鋼管（也稱致裂主管）內(nèi)，裝入泄壓釋能片、發(fā)熱裝置和密封圈，并保持儲液管內(nèi)液態(tài)二氧化碳壓力在5～9MPa。將致裂管和起爆器通過電源線連接，把致裂管插入鉆孔中固定好，啟動起爆器，觸發(fā)加熱裝置產(chǎn)生大量熱量，使管內(nèi)液態(tài)二氧化碳瞬間氣化（二氧化碳液、氣變化臨界溫度：31.06℃，臨界壓力：7.383 MPa，當溫度高于31℃時液態(tài)二氧化碳會迅速氣化），體積膨脹600倍，當管內(nèi)氣體壓力超過泄壓釋能片極限強度（可設定）時，氣體沖破泄壓釋能片，從泄能孔釋放出來，瞬間產(chǎn)生強大的氣團沖擊力，沿著目標體自然裂隙沖開物料并將其推離主體，從而達到預裂松動的目的。致裂管每次使用后可以裝填新的加熱裝置（發(fā)熱劑）、泄壓釋能片，充裝液態(tài)二氧化碳再次使用。具體施工工藝如圖3所示。

二氧化碳液氣相變裂巖設備主要組件由致裂主管、加熱裝置、泄能組件、充氣組件、泄能釋能片、其他輔助設備等組成，具體零部件的外形如圖4所示。

圖2 煤科集團沈陽研究院發(fā)布的二氧化碳致裂器工作原理示意圖[3]

圖3 煤科集團沈陽研究院發(fā)布的二氧化碳致裂器施工工藝流程圖[3]

圖4 二氧化碳致裂器主要部件

（1）致裂主管（致裂管），是高強度可重復使用的鋼管，耐高壓、高溫管狀容器，用于儲存液態(tài)二氧化碳。部件外形見圖5，部件構(gòu)成見圖6。

圖5 致裂主管

圖6 致裂主管組裝圖

（2）加熱裝置（發(fā)熱管），由有啟爆器、化學發(fā)熱材料、PVC或者牛皮紙包裝物組成，是提供熱量的裝置。其中發(fā)熱材料是幾種化工材料配制而成，它在空氣中具有難燃性，即常溫常壓下無法明火點燃或引爆。需在一定的均勻圍壓下方可引燃，可根據(jù)致裂管充裝液態(tài)二氧化碳變氣體所需熱量值調(diào)整熱源劑量。部件外形見圖7，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖8。

圖7 加熱裝置

圖8 加熱裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（3）泄能組件，用于固定泄能釋能片 ，封閉氣體，高壓氣體釋放孔，施工中可根據(jù)情況使用不同方向的釋放孔。部件外形見圖9。

圖9 泄能組件

（4）充氣組件（充裝機和充裝臺），封閉氣體，是液態(tài)二氧化碳進入儲液鋼管的開關，連接導通加熱裝置電路組件。部件外形見圖10。

圖10 充氣組件

（5）泄能釋能片，是控制釋放氣體壓力的組件，使用不同規(guī)格的剪切片可得到不同釋放壓力。

（6）其他輔助設備有液態(tài)二氧化碳充裝機，用于向儲液鋼管充裝液態(tài)二氧化碳。主要由以下幾部分組成：

①杜瓦罐 （儲液罐），用于儲存液態(tài)二氧化碳。部件外形見圖11。

圖11 杜瓦罐

②旋緊系統(tǒng)，主要由氣扳機和空壓機組成，用于致裂管兩端充氣組件、泄能組件的拆解組裝。見圖12。

4 設備的優(yōu)點及應用

二氧化碳致裂設備相較于傳統(tǒng)的炸藥爆破，產(chǎn)生的振動微弱，破壞力很小，因此對于保護建筑物等具有天然的優(yōu)勢。具體表現(xiàn)在：

圖12 旋緊系統(tǒng)

①工作介質(zhì)：CO2，無色、無味、無毒，不助燃，來源廣泛，成本低廉；

②工作狀況：可控，弱聲波、微振動、無飛石，不污染環(huán)境，無火花、無毒害氣體等；

③致裂效率：單點每天可開挖1000立方以上；

④開采成本：針對不同巖質(zhì)工況，情況不一，總體上說，略高于爆破，低于機械破碎；

⑤操作程序：操作安裝簡單，但需要按操作要求操作，接受專業(yè)培訓；

⑥適用范圍：環(huán)境復雜，不宜爆破的石方開挖。

起爆至結(jié)束整個過程只需0.4毫秒，且是低溫下運行，不受高溫、高熱、高濕、高寒影響。在井下爆破時對瓦斯具有稀釋作用，無震蕩，無粉塵。二氧化碳不屬于易燃易爆物質(zhì)，爆破過程就是體積膨脹的過程，物理做功而非化學反應。

目前，國際上約有140多個國家應用過CO2破巖技術，主要應用在以下方面：（1）煤礦礦山開采；（2）隧道掘進；（3）石材開采；（4）城市基坑開挖；（5）水下爆破；（6）巖石二次分解；（7）管道疏通；（8）豎井開挖和溝槽開挖。

在國內(nèi)，除了煤礦應用外，在非煤露天礦山開采、管道疏通、水泥除垢、城市基坑開挖等應用比較廣泛，名貴石材開采、隧道掘進和地鐵建設等也開始逐步地應用推廣并取得了良好的社會經(jīng)濟效益。

5 設備在工程實地中的使用概況

5.1 河北武安工業(yè)園區(qū)

河北武安工業(yè)園區(qū)青龍山智能裝備制造產(chǎn)業(yè)園定位是：國家級智能裝備制造產(chǎn)業(yè)基地、國家級循環(huán)經(jīng)濟示范基地、中國精密鑄造基地、華北地區(qū)重要的關鍵基礎零部件研發(fā)生產(chǎn)基地、華北新型材料研發(fā)生產(chǎn)基地。該基地產(chǎn)能規(guī)模1000萬噸、產(chǎn)值一千億元。產(chǎn)業(yè)園總規(guī)劃面積15平方公里。由于產(chǎn)業(yè)園毗鄰市區(qū)，不允許爆破施工。因此，二氧化碳致裂施工法得到了大顯身手的機會。

該產(chǎn)業(yè)園簽約了格力電器等高新技術企業(yè)（見圖13），堅持“大眾產(chǎn)品高品質(zhì)化、高端產(chǎn)品市場化”。該產(chǎn)業(yè)園的成功建設，將成為華北地區(qū)的一張高科技產(chǎn)業(yè)集群方面的名片，產(chǎn)業(yè)園施工現(xiàn)場見圖14。因此二氧化碳致裂施工法在該項目中的應用，具有十分典型的示范意義。

圖13 河北武安工業(yè)園區(qū)簽約格力電器

圖14 產(chǎn)業(yè)園施工現(xiàn)場

二氧化碳致裂器應用現(xiàn)場見圖15。二氧化碳致裂器現(xiàn)場組裝見圖16、圖17。用二氧化碳致裂器破碎的土石方情況見圖18、圖19。

5.2 貴州貝勒煤礦

2013年在貴州貝勒煤礦進行的煤層深孔預裂增透、提高瓦斯抽采率實驗中，預裂深度達100米，同時進行了高瓦斯突出煤層工作面快速掘進、落煤、煤（巖）巷道掘進（揭石門）、硬頂煤綜合工作面強制放頂、消除突出危險性沖擊地壓、巷道底鼓修復等工作。這些實驗均達到了各項指標要求，解決了多年困擾煤礦安全的許多問題。國家煤礦防爆安全設備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（遼寧撫順），對該設備進行了檢測，檢測結(jié)果認定該設備及附屬裝置在可爆炸瓦斯氣體（CH4）中使用時不會點燃引爆瓦斯，能夠達到煤礦井下安全性能指標。

圖15 二氧化碳致裂器應用現(xiàn)場

圖16 二氧化碳致裂器現(xiàn)場組裝

圖17 二氧化碳致裂器現(xiàn)場組裝

圖18 用二氧化碳致裂器破碎的土石方情況

圖19 用二氧化碳致裂器破碎的土石方情況

2016年9月下旬在廣州佛山地鐵石灣站口實驗施工，10月在廣州市地鐵天河公園站口實驗，地鐵口處于鬧市區(qū)，車輛、行人距離施工點不足20米且正常通行，對于使用炸藥有一定的安全隱患，利用該設備則順利完成了實驗施工作業(yè)。

2017年6月在湖南省益陽市（中交二航局）濱江隧道實驗施工作業(yè)，政府重點工程，該隧道山體傾斜、砂巖石、5級圍巖，距離資江30米，隧道山體最薄處80厘米左右，上拱11米、寬14米，六部開挖法，隧道上面是益陽自來水廠不足10米。利用該設備完全滿足了施工進度和安全要求，經(jīng)測試5米遠距離震動能量0.02、聲音是90分貝。

2017年5月與中國石油（天津）東方地球物理勘探有限公司合作，利用 “二氧化碳致裂器”73#、90#型號管在天津南港區(qū)進行了石油勘探實驗，目的是為了發(fā)展新式震源，實現(xiàn)地震勘探震源的多樣性，檢驗“二氧化碳致裂器”震源在本地區(qū)的激發(fā)效果。實驗取得了成功，初步達到預期目的。

湖北某大型水泥廠使用該設備清堵已有兩年了，在水泥生產(chǎn)中，有很多地方容易發(fā)生結(jié)拱、堵塞和結(jié)皮現(xiàn)象。為了清理堵料，很多時候需要停止設備運轉(zhuǎn)，工人進入設備內(nèi)部才能進行清理，高溫和物料塌落威脅著工人的生命安全。利用二氧化碳液氣相變技術可以在不需要停機冷卻的情況下對預熱器、蓖冷機、粘土倉、鐵粉倉、水泥庫、均化庫等常見堵料位快速清理，從而保障人員安全和機器設備的正常生產(chǎn)。

無論是谷類、面粉、玉米、大豆、食糖、食鹽、水泥、石膏、煤、肥料、催化劑、礦石、火藥等物料清理均可以使用。

6 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國的AIRDOX公司最早于1938年開始研究高壓氣體爆破，到上世紀50～60年代，世界上一些采礦比較發(fā)達的國家，如英、法、美、俄、波蘭、挪威等國已將高壓氣體爆破采煤設備用于采煤工作面。英國CARDOX公司開發(fā)研制的液態(tài)CO2相變致裂裝置，早期主要作為一種代替炸藥的采煤器，既能提高塊煤率，也不會引起瓦斯爆炸，曾獲得英國安全與健康理事會關于該設備為非爆品的認證。上世紀80年代，該技術迅速發(fā)展，逐步應用到爆破震源、金屬制品成型、地下礦山、露天礦山開采等領域，成為一種有潛力的新型爆破器材。

上世紀90年代，我國煤礦開始引進該項技術；21世紀，國內(nèi)開始生產(chǎn)，但主要部件依靠進口；隨著煤礦對該技術的淘汰，慢慢移植到露天巖石破碎領域。

2014年以來，將CO2液氣相變裂巖設備應用于露天巖石開采的網(wǎng)絡報道日漸增多，內(nèi)容涉及產(chǎn)品作用原理、結(jié)構(gòu)組成、操作使用、作業(yè)流程及應用案例等，尤以成功案例演示居多，但也出現(xiàn)了很多意外事故。從市面上了解到的信息看，二氧化碳液氣相變裂巖技術在國內(nèi)呈現(xiàn)出兩多的發(fā)展態(tài)勢，即廠家多，種類多樣。截止到2017年上半年，據(jù)不完全統(tǒng)計在國內(nèi)各省參與該行業(yè)企業(yè)分布情況如下：

河北4家；北京3家；山東7家；湖北2家；湖南4家；廣東2家；山西2家；浙江3家；福建2家；重慶1家；四川1家；致裂管種類分為重復使用型和一次性使用型。重復使用型“二氧化碳致裂器”，主要由儲液管、充氣頭、泄能裝置、加熱裝置等組成，做功后只需更換少數(shù)零部件、如活化器、泄能片等，重新充裝入液態(tài)二氧化碳，即可再次使用；一次性“二氧化碳致裂器”，主要由儲液管、充液閥、發(fā)熱裝置等組成，爆破后管體即做廢品處理，兩者的作用機理一樣，都是利用二氧化碳氣體做功，但是一次性二氧化碳致裂器存在很大安全隱患，已經(jīng)被禁止使用。

7 設備發(fā)展趨勢探討

二氧化碳液氣相變裂巖技術在工程實踐中得到了初步推廣和應用，從理論上講，這項新技術是為了更加安全更加方便巖體破碎施工，是一項綠色環(huán)保技術，解決一部分炸藥雷管不能使用的工況或工程，但在實踐中，這項技術出現(xiàn)一部分無序發(fā)展，也帶來一些不安全的社會隱患，為了更安全合理有序發(fā)展應用此項技術和產(chǎn)品，國家出臺相應的管理規(guī)范及監(jiān)管條例是必然的。

相變裂巖技術主要為機械設備部分和加熱裝置兩大部分組成，機械設備部分相對安全管控容易些，也基本不具備社會安全危害性，可以由相關的行業(yè)、企業(yè)標準規(guī)范，相關質(zhì)監(jiān)部門監(jiān)管。

加熱裝置中的熱源劑是這項技術設備的重點部分，也是國家危化品監(jiān)管的部分，熱源劑相對民爆火工品是更安全的產(chǎn)品，但由于內(nèi)含有高氯化物（高氯酸鉀）也屬于管控物品，仍需要國家監(jiān)管其生產(chǎn)、運輸、貯藏、使用，以確保使用人員安全與社會公共安全！

8 結(jié)束語

二氧化碳液氣相變裂巖技術是爆破工程領域誕生的新技術，是傳統(tǒng)爆破的有效補充，尤其是適合于特殊工況作業(yè)，如城市市政工程施工、城區(qū)隧道施工、城市地鐵、道路施工，以及距離文物景點、水利設施較近的施工現(xiàn)場，能發(fā)揮最佳效果，對減少公共安全事故有極大的作用。隨著國家建設的飛速發(fā)展，相信二氧化碳液氣相變技術會發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢，服務于國家經(jīng)濟建設。

甘肅·天水·仙人崖